RÉVISEZ LA PHYSIQUE AVEC FEYNMAN. Richard Feynman Michael Gottlieb Ralph Leighton

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1 RÉVISEZ LA PHYSIQUE AVEC FEYNMAN Richard Feynman Michael Gottlieb Ralph Leighton

2 First published in the United States by Basic Books a member of the Perseus Books Group. L édition originale de cet ouvrage a été publiée aux États-Unis par Basic Books, un membre du groupe Perseus Books, sous le titre : Feynman s Tips on Physics (2nd edition) 2013 by Carl Feynman, Michelle Feynman, Michael A. Gottlieb, Ralph Leighton Version française de Pierre Lochak et Laurent Lazzarini. Une première édition de cet ouvrage a été publiée par Pearson France en 2006 sous le titre : Physique : les astuces de Feynman, 4 cours inédits Maquette de couverture : Raphaël Tardif Dunod, Paris, rue Laromiguière, Paris ISBN

3 Pr é f a c e à l a s e c o n d e é d i t i o n a m é r i c a i n e Durant les six années qui se sont écou lées depuis la pre mière publication des Feynman s Tips on Physics (2006, Addison- Wesley pour l édi tion amé ri caine ; Physique : les astuces de Feynman, Pearson France pour l édi tion fran çaise) l inté rêt sus cité par ce sup plé ment aux Feynman Lec tures on Physics ne s est jamais démenti, comme illus tré par le nombre tou jours crois sant de visi teurs du site des Feynman Lec tures ( tures.info), créé en liai son avec ce pro jet. Des milliers de demandes ont afflué, dont beau coup signalaient de pos sibles erreurs dans les Feynman Lec tures, et beaucoup d autres conte naient des ques tions ou des commen taires sur les exer cices. C est donc avec un plai sir mêlé de fierté que nous pré sen tons au public cette seconde édi tion des Feynman s Tips on Physics, publiée par Basic Books dans le cadre d une uni fi ca tion des droits liés aux Feynman Lec tures on Physics, droits d impres sion aussi bien que ceux liés au son ou à l image, et qui avaient été au fil des ans accor dés à diverses mai sons d édi tion. À cette occa sion, les Feynman Lec tures on Physics (New Millennium Edition) sont main te nant pour la pre mière fois composées au for mat LaTeX, ce qui per met une cor rec tion des erreurs beaucoup plus rapide ; de plus une édi tion élec tro nique des Lec tures sera bien tôt dis po nible. Enfin, cette nou velle édi tion des Feynman s Tips on Physics est pro duite éga le ment dans une ver sion bro chée, à un prix très réduit par rapport à la ver sion reliée ori gi nale, et est aug men tée de trois entretiens pleins d aper çus éclai rants sur les Lec tures : le pre mier avec Richard Feynman, en 1966, peu de temps après l achè ve ment de la par tie cen trale du pro jet ; III

4 Révisez la physique avec Feynman le second avec Robert Leighton, en 1986, à pro pos des dons de confé ren cier de Feynman ainsi que du défi que repré sente la tra duc tion du «feynmanais» vers l anglais ; enfin le troi sième avec Rochus Vogt, en 2009, sur la communauté des pro fes seurs à Caltech qui y ont ensei gné les Feynman Lec tures dans une étroite col la bo ra tion. À tous ceux d entre vous qui nous ont adressé électroniquement ou par cour rier des ques tions et des commen taires sur les Feynman Lec tures on Physics comme sur les Feynman s Tips on Physics, nous pré sen tons nos remer ciements les plus sin cères ; vos contri butions et votre sou tien ont gran de ment contri bué à améliorer ces livres et ils seront jus te ment appré ciés par des géné ra tions de lec teurs. Nous nous excu sons auprès de ceux qui nous ont écrit pour récla mer davan tage d exer cices, de ce que ceux ci n ont pu être inclus dans la pré sente édi tion. Cepen dant leurs encouragements ont ins piré la créa tion d un nou veau livre très complet (à paraître sous peu), les Exercises for The Feynman Lec tures on Physics. Michael A. Gottlieb Ralph Leighton Novembre 2012 IV

5 Av a n t -pr o p o s Depuis un poste fron tière isolé sur les hau teurs de l Himalaya, Ramaswamy Balasubramanian obser vait à tra vers ses jumelles les sol dats de l Armée de libé ra tion popu laire can ton nés au Tibet les quels l obser vaient aussi. Cela fai sait plu sieurs années que les rela tions entre l Inde et la Chine étaient ten dues, depuis qu en 1962 les deux pays avaient échangé des coups de feu à tra vers la fron tière qu ils contes taient. Les sol dats chi nois, se sachant obser vés, pro vo quaient Balasubramanian et ses cama rades de l armée indienne en bran dis sant, dans un geste de défi, leurs exem plaires de poche, rouge vif, des Cita tions du Pré sident Mao plus connu en Occi dent sous le nom de «Petit Livre rouge». Balasubramanian, qui était alors conscrit et étu diait la phy sique durant son temps libre, en eut rapi de ment assez de ces pro vo ca tions. Un jour, il rega gna donc son poste muni d une réplique appro priée. Dès que les sol dats chi nois commen cèrent à agi ter le «Petit Livre rouge», lui et ses cama rades indiens exhi bèrent à bout de bras les trois gros volumes rouge vif du Cours de phy sique de Feynman. Un jour, je reçus une lettre de M. Balasubramanian. Elle fai sait par tie des cen taines de lettres que j ai reçues pen dant de nom breuses années et qui témoignent de l impact durable de Richard Feynman sur la vie des gens. Après avoir raconté l incident «livres rouges» à la fron tière sino- indienne, il écri vait : «Et main te nant, vingt ans plus tard, les quels de ces livres rouges sont encore lus?» C est un fait. Aujourd hui, plus de qua rante ans après qu il eut été pro noncé, le Cours de phy sique de Feynman est tou jours lu et ins pire tou jours y compris d ailleurs, je le soup çonne, au Tibet. Voici un cas inté res sant : il y a quelques années, je ren contrai Michael Gottlieb dans une soi rée au cours de laquelle notre hôte IX

6 Révisez la physique avec Feynman mon trait sur un écran d ordi na teur les har mo niques d un chan teur de gorge de Tyva un de ces petits évé ne ments qui rendent la vie dans la région de San Francisco si amu sante et exci tante. Gottlieb avait étu dié les maths et il était inté ressé par la phy sique ; je lui sug gé rais donc de lire le Cours de phy sique de Feynman et envi ron un an plus tard, il consa cra six mois de sa vie à une lec ture très soi gneuse du cours, de bout en bout. Comme Gottlieb le décrit lui- même dans son intro duc tion, tout ceci abou tit au livre que vous tenez entre les mains, ainsi qu à une nou velle «édi tion de référence» du Cours de phy sique de Feynman. Ainsi, je suis ravi que les gens du monde entier inté res sés par la phy sique puissent main te nant étu dier, grâce à l ajout de ce volume sup plé men taire, une édi tion plus cor recte et plus complète du Cours de phy sique de Feynman une œuvre monu men tale qui conti nuera d ins truire et de faire réflé chir des géné ra tions d étu diants dans les décen nies à venir, que ce soit au cœur de Manhattan ou sur les hau teurs de l Himalaya. Ralph Leighton 11 mai 2005 X

7 In t r o d u c t i o n Richard Feynman, 1962 environ J ai entendu par ler de Richard Feynman et Ralph Leighton pour la pre mière fois en 1986, grâce à leur livre de diver tis se ment Vous vou lez rire, M. Feynman! [Surely You re Joking, Mr. Feynman!]. Treize ans plus tard, j ai ren contré Ralph dans une soi rée. Nous sommes deve nus amis et, l année sui vante, nous avons tra vaillé ensemble à la concep tion d un timbre fan tai sie en l hon neur de Feynman 1. Tout au long de ce tra vail, Ralph me recom man dait des livres, de ou sur Feynman, dont (puisque je suis moi- même pro 1. Notre timbre est paru dans la notice de la pochette de Back TUVA Future, un CD du maître de chant de gorge Tuvan Ondar dans lequel Richard Feynman appa raît aussi en per sonne (Warner Bros ), paru en XI

8 Révisez la physique avec Feynman gram meur infor ma tique) les Leçons sur la compu ta tion 1. La discus sion à pro pos du cal cul quantique conte nue dans ce livre fas ci nant m avait intri gué mais, n ayant pas étu dié la méca nique quantique, j avais peine à suivre les argu ments. Ralph me recom manda de lire le troi sième volume du Cours de phy sique de Feynman sur la méca nique quantique, ce que j ai commencé à faire. Mais les cha pitres 1 et 2 de ce volume reprennent les cha pitres 37 et 38 du pre mier volume, si bien qu au lieu de pro gres ser dans le troi sième volume, je suis revenu en arrière dans les réfé rences au pre mier. J ai donc décidé de lire le Cours de phy sique de Feynman du début à la fin j étais décidé à apprendre de la méca nique quantique! Cepen dant, avec le temps, ce but est devenu secondaire, au fur et à mesure que je me trou vais absorbé dans le monde fas ci nant de Feynman. La joie d apprendre la phy sique, sim ple ment pour le plai sir, est deve nue ma pre mière priorité. J étais pris! À la moi tié envi ron du pre mier volume, j ai fait une pause dans mon tra vail de pro gram ma tion et j ai passé six mois dans la cam pagne du Costa Rica à étu dier les cours à plein- temps. Chaque après- midi, j étu diais un nou veau cours et je tra vaillais sur des pro blèmes de phy sique ; le matin, je révi sais le cours de la veille. J étais en contact avec Ralph par cour rier élec tro nique et il m encou ra gea à dres ser une liste des erreurs que je ren contrais dans le pre mier volume. Ce n était pas un bien grand far deau, parce qu il y avait très peu d erreurs dans ce volume. Cepen dant, alors que je pro gres sais dans les deuxième et troi sième volumes, je fus sur pris de décou vrir tou jours plus d erreurs. À la fin, j avais compilé au total plus de 170 erreurs dans le Cours. Ralph et moi étions sur pris : comment tant d erreurs avaient- elles pu pas ser inaper çues si longtemps? Nous déci dâmes de voir s il était pos sible de les faire cor ri ger dans l édi tion sui vante. C est alors que je remar quai quelques phrases intri gantes dans la pré face de Feynman : 1. Leçons sur la compu ta tion, par Richard P. Feynman, 2006, Odile Jacob, ISBN XII

9 Introduction Dunod Toute reproduction non autorisée est un délit. «La rai son pour laquelle il n y a pas de cours consa crés à la manière de résoudre des pro blèmes est que ceux- ci consti tuent des ses sions de révi sion. Bien que j aie effec ti ve ment donné en première année trois cours sur la manière de résoudre des pro blèmes, ils ne sont pas repris ici. De même, il y avait un cours sur le gui dage iner tiel qui a sans aucun doute sa place après celui sur les sys tèmes en rota tion, mais qui a mal heu reu se ment été omis.» Cela sug géra l idée de reconstruire les cours man quants et, s ils se révé laient inté res sants, de les pro po ser à Caltech et Addison- Wesley pour les inclure dans une édi tion complé tée et cor ri gée du Cours. Mais tout d abord il me fal lait trou ver les cours man quants, alors que je séjour nais tou jours au Costa Rica! Avec un brin de logique et après quelques recherches, Ralph fut en mesure de retrou ver les notes de ces cours, qui avaient été cachées quelque part entre le bureau de son père et les archives du Caltech. Ralph obtint aussi des enre gis tre ments des cours man quants et, tan dis que je recher chais les errata dans les archives après mon retour en Californie, je décou vris par hasard les photo graphies du tableau (que l on croyait per dues depuis long temps) dans une boîte de néga tifs divers. Les héri tiers de Feynman nous don nèrent géné reu se ment la per mis sion d uti li ser ce maté riel et c est ainsi qu avec les utiles cri tiques de Matt Sands seul sur vi vant du trio Feynman- Leighton-Sands Ralph et moi avons reconsti tué le Cours de révisions B et l avons pré senté à titre d échan tillon à Caltech et à Addison- Wesley, en même temps que les errata pour le Cours. Addison- Wesley a réagi avec enthou siasme à nos idées, mais Caltech s est d abord mon tré scep tique. Ralph a alors fait appel à Kip Thorne, titu laire de la chaire Richard Feynman en phy sique théo rique à Caltech, qui a fini par trou ver un accord entre toutes les par ties et a géné reu se ment offert de son temps pour super vi ser notre tra vail. Comme Caltech se refu sait, pour des rai sons his to riques, à modi fier les volumes exis tants du Cours, Ralph a pro posé de réunir les cours man quants dans un volume séparé. C est là l ori gine de ce volume sup plé men taire. Il est publié en paral lèle à la nou velle Défini tive Edition of the Feynman Lec tures on Physics, dans laquelle les erreurs que j avais trou vées sont cor ri gées, ainsi que d autres erreurs repé rées par un cer tain nombre d autres lec teurs. XIII

10 Révisez la physique avec Feynman L étude de Matt Sands Dans notre quête pour la reconstruc tion des quatre cours, Ralph et moi nous sommes heur tés à beau coup de ques tions. Nous avons eu beau coup de chance de pou voir obte nir des réponses du pro fes seur Matt Sands, l homme qui eut l idée de démar rer l ambi tieux pro jet qui devait mener à la publi ca tion du Cours de phy sique de Feynman. Nous avons été sur pris de consta ter que l his toire de leur ori gine n était pas lar ge ment connue ; aussi, après avoir réa lisé que le présent pro jet offrait une occa sion de combler cette lacune, le pro fes seur Sands a aima ble ment accepté de rédi ger une étude sur les ori gines du Cours de phy sique de Feynman, des ti née à être incluse dans le présent sup plé ment. Les quatre cours Nous apprîmes de Matt Sands qu en décembre 1961, vers la fin du pre mier tri mestre 1 du cours de Feynman en pre mière année de phy sique à Caltech, il avait été décidé qu il serait injuste d intro duire des notions nou velles pour les étu diants quelques jours seule ment avant l exa men final. C est pour quoi, la semaine pré cé dant l examen, Feynman donna trois cours faculta tifs de révi sion pen dant les quels il n intro dui sait pas de notions nou velles. Ces cours de révi sion s adres saient à des étu diants qui avaient des dif fi cultés en classe et il insistait sur des tech niques utiles pour comprendre et résoudre des pro blèmes de phy sique. Cer tains exemples de problèmes avaient un inté rêt his to rique, comme la décou verte du noyau ato mique par Rutherford et la déter mi na tion de la masse du méson pi. Avec un dis cer ne ment humain qui lui était propre, Feynman dis cu tait éga le ment de la solu tion à une autre sorte de pro blème, tout aussi impor tant pour au moins la moi tié des étu diants de cet amphi théâtre de pre mière année : le pro blème émo tion nel de se retrou ver au- dessous de la moyenne. 1. À Caltech, l année uni ver si taire est divi sée en trois tri mestres : le pre mier de la fin sep tembre à début décembre, le second de début jan vier à début mars et le troi sième de fin mars à début juin. XIV

11 Introduction Le qua trième cours, Effets dyna miques et leurs appli ca tions, a été donné au début du second tri mestre de pre mière année, peu après le retour des étu diants des vacances de Noël. À l ori gine, il devait constituer le Cours 21, dans l idée de reprendre son souffle après la dis cussion théo rique dif fi cile sur les rota tions, qui couvre les cha pitres 18 à 20 inclus ; il s agis sait donc de mon trer aux étu diants quelques applica tions et phé no mènes inté res sants liés aux rota tions, «juste à titre de diver tis se ment». La plus grande par tie de l exposé était consa crée à l étude d une tech no logie rela ti ve ment nou velle en 1962 : le gui dage iner tiel. Le reste de l exposé concer nait des phé no mènes natu rels résul tant de diverses sortes de rota tion et four nis sait aussi un indice expli quant pour quoi Feynman avait décrit l omis sion de ce cours dans le Cours de phy sique de Feynman comme «mal heu reuse». Après le cours Feynman lais sait sou vent son micro bran ché après la fin du cours, d où le témoi gnage unique que nous appor tons sur la manière dont Feynman inter agissait avec ses étu diants de pre mier cycle. L exemple donné ici, enre gis tré après l exposé Effets dyna miques et leurs appli ca tions, est par ti cu liè re ment remar quable pour sa dis cus sion sur la tran si tion, alors immi nente, des méthodes ana lo giques vers les méthodes digi tales dans le domaine du cal cul en temps réel. Dunod Toute reproduction non autorisée est un délit. Les exer cices Au cours de ce pro jet, Ralph a repris contact avec un bon ami et col lègue de son père, Rochus Vogt, qui lui a gra cieu se ment donné son consen te ment pour la re publi ca tion d exer cices et de solu tions tirés d Exer cices de phy sique élé men taire [Exercises in Introductory Physics], la col lec tion que Robert Leighton et lui- même avaient créée spé cia le ment en rela tion avec le Cours, dans les années Pour des rai sons de place, je n ai retenu que des exer cices du premier volume, cha pitres 1 à 20 (cor res pon dant aux notions étu diées avant Effets dyna miques et leurs appli ca tions), avec une pré fé rence pour les pro blèmes qui, pour citer Robert Leighton, «sont numé rique ment ou ana ly ti que ment simples, mais dont le contenu est per - tinent et enri chis sant». XV

12 Révisez la physique avec Feynman Le site Internet Les lec teurs sont invi tés à visi ter le site pour plus d infor ma tions concer nant ce volume et le Cours de physique de Feynman. Mike Gottlieb Playa Tamarindo, Costa Rica mg@feynmanlectures.info XVI

13 Re m e rc i e m e n t s Nos remer ciements les plus cha leu reux vont à tous ceux qui ont rendu ce livre pos sible, et spé cia le ment à : Thomas Tombrello, direc teur du dépar te ment de phy sique, mathéma tiques et astro no mie pour avoir approuvé ce pro jet au nom de Caltech, ainsi qu à Carl Feynman et Michelle Feynman, héri tiers de Richard Feynman, pour la per mis sion qu ils nous ont accordée de publier les cours de leur père dans ce volume ; Marge L. Leighton, pour la permission qu elle nous a accordée de publier des extraits de l Oral History de Robert B. Leighton ainsi que des problèmes tirés des Exercises in Introductory Physics ; Matthew Sands, pour sa sagesse, sa science, ses commen taires construc tifs et ses sug ges tions ; Rochus E. Vogt, pour les ingé nieux pro blèmes et leurs solu tions des Exercises in Introductory Physics et pour sa per mis sion de les uti li ser dans ce volume ; Michael Hartl, pour sa relec ture méti cu leuse des épreuves du manus crit et pour son tra vail diligent sur les errata du Cours de physique de Feynman ; John Neer, pour la qua lité des recherches docu men taires qu il a effec tuées sur les cours de Feynman à la Hughes Aircraft Cor po ra tion et pour nous avoir fait pro fi ter de ses notes de tra vail ; Helen Tuck, secré taire de Feynman durant de nom breuses années, pour ses encou ra ge ments et son sou tien ; A dam Cochran, pour son habileté consommée à naviguer dans le marais des contrats éditoriaux enchevêtrés et de personnalités diverses et variées, jusqu à construire un cadre légal pour ce livre ainsi que pour le Feynman Lectures ou Physics. XVII

14 Révisez la physique avec Feynman Kip Thorne, pour sa gen tillesse et ses efforts infa ti gables pour s assu rer de la confiance et du sou tien de tous les par ti cipants à cette entre prise, ainsi que pour avoir super visé notre tra vail. XVIII